四相調制單通道單脈沖跟蹤接收機設計

中國電子科技集團公司第54研究所 趙 楠

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四相調制單通道單脈沖跟蹤接收機設計

中國電子科技集團公司第54研究所 趙 楠

【摘要】在衛星通信中，衛星天線經常移動，并希望在移動的同時始終使天線對準衛星，達到最佳通信效果，自跟蹤接收系統的作用就在于此。本文設計的跟蹤接收機是自跟蹤系統的重要組成部分，文中介紹了四相調制單通道單脈沖跟蹤接收機的工作原理和系統組成，對中頻數字信號處理算法中的關鍵參數進行了Matlab仿真，并在工程中實現，最后經過對星測試驗證了設計的正確性。

【關鍵詞】四相調制；單通道單脈沖；Matlab仿真

0　引言

單通道單脈沖(Single ChannelMonopu lse，簡稱SCM)技術體制的最突出優點是節省信道，有利降低成本，其次是設備操作簡化，有利于提高可靠性，這就使得SCM跟蹤技術在衛星地球站、遙感、氣象接收站的自跟蹤系統中也得到應用。

本文設計的四相調制單通道單脈沖跟蹤接收機，在傳統SCM接收機的基礎上，通過用低頻信號對對差通道信號進行四相調制，實現了對BPSK、QPSK等調制信號的跟蹤。

1　工作原理

差信號經過四相調制后，可寫為：

其中調制信號為：

相加后的和與差信號為：

合并后的信號經過變換得：

和差信號經過下變頻后到70MHz中頻，經過AFC消除多普勒影響和AGC歸一化處理后，對和差信號進行包絡檢波，和差信號可以表示為：

式中：

當時，,

由此得到：

濾除直流分量后的信號為：

對此信號進行同步解調提取方位誤差和俯仰誤差。由于是四相調制，需要兩次同步解調。 第一次同步解調分離出交流方位誤差信號和俯仰誤差信號，第二次解調則得到直流方位、俯仰誤差電壓。

可得出方位電壓差為：

俯仰電壓差為：

2　系統組成

圖1　跟蹤接收系統組成框圖

跟蹤接收單元由下行數據傳輸信道和跟蹤通道，主要由和差LNA、分路器、和差（單通道）合成網絡、單脈沖跟蹤接收機（包括L 波段下變頻器、跟蹤解調終端）組成。

工作時，需要一路數據通道和一路跟蹤通道，和信號經過切換開關進行極化選擇之后在進入LNA，放大后的信號進入分路器，其中一路和信號最終送給接收分系統（或者由和差合成網絡功分），另一路和經過極化選擇的差信號一起送給和差合成網絡。在和差網絡中，差信號由跟蹤接收機發出的同步調制信號調制后與和信號合成，送給跟蹤接收機。單脈沖跟蹤接收機為標準1U機箱，由電源模塊、L波段下變頻器、中頻接收機和監控單元構成。

圖2　和差合成網絡組成框圖

和差合成網絡的簡化組成框圖如圖2所示，采用6位移相器（5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°）實現四相調制，第五位是90°,第六位是180°，通過時間同步的方法，可分別對90°和180°的移相值進行連續控制，以達到最終實現來波相位90°、180°、270°、360°的連續變化，從而實現四相調制。通常的方法是，由終端產生一組頻率為Ω和2Ω的低頻TTL方波信號，使其組合成復合控制信號，在時間為Ω的周期內，控制6位移相器，在控制信號時間同步的情況下，滿足表1-1所示的關系。

表1-1　時間相位電平關系表

信道設計和頻率配置時要考慮增益分配合理、信道頻率組合干擾少，L波段下變頻器將L波段信號進行兩次變頻，輸出70MHz信號，送跟蹤解調終端進行誤差信號解調。

跟蹤解調終端由中頻解算單元和控制單元組成。70MHz中頻信號通過AGC控制到恒定電平，并輸送至中頻解算單元；中頻解算單元對中頻信號進行A/D轉換、角誤差解調，并將角誤差送至天線控制單元（ACU），ACU控制驅動天線朝著減小誤差的方向運動，實現對目標的自動跟蹤。控制顯示單元實現整個跟蹤接收機的控制和對外通信。

3　仿真與實現

中頻信號仿真模型是利用Simulink中的數字信號處理模塊來設計的，主要包括輸入信號生成與采樣、數字下變頻、頻率估計和載波提取、場強解調、信噪比計算、誤差信號解調幾個部分。仿真框圖如圖3所示。

圖3　中頻信號仿真框圖

在信號跟蹤中，為了提高信噪比，數字處理單元首先采用AFC環路進行頻偏補償，依靠AFC環路的牽引作用，使NCO輸出的本地載波頻率不斷向輸入載波頻率靠近并跟蹤輸入載波頻率的變化，從而消除了多普勒頻移的影響。多普勒頻移消除后，可以通過求兩路正交信號的平方和得到和差信號的包絡，然后將一路包絡通過積分處理作為電平的控制信號，另一路信號濾除高頻分量和隔離直流后作為跟蹤信號進行誤差解調，經過同步解調后，分離出方位誤差信號和俯仰誤差信號。

由于系統存在隨機噪聲，入鎖時間和誤差信號的解調性能都會受到信噪比的影響，因此對在信噪比S/N為6dB下的載波捕獲跟蹤性能進行分析仿真。如圖4所示，從上到下依次為和信號、方位誤差信號、俯仰誤差信號。從圖中可以看出，鎖相環的初始捕獲后，方位俯仰誤差穩定的時間約為30ms，在工程實踐中能夠滿足要求。

圖4　仿真結果

中頻解算的數字信號處理主要由FPGA實現，采用Xilinx公司的Virtex-5系列芯片XC4VSX95T，FPGA部分的設計主要包括數字采樣與數字下變頻設計、頻率引導捕獲、數字AGC、AFC與跟蹤算法設計、同步解調、相位校正等。

在單脈沖跟蹤系統中，由于和差通道相對相移，導致差信號與和信號之間存在相位差，而在同步解調中，是以和信號做為參考進行頻率相位控制，導致最終解調出的方位俯仰誤差存在交叉耦合，需要進行相位校準。通常的相位校準方法是伺服系統找到和信號中心，再分別通過偏方位俯仰軸、設置移相值及斜率最終達到減小交叉耦合，實現自動跟蹤。

4　系統測試

為了測試四相調制單通道單脈沖跟蹤接收機的實際性能，搭建測試系統，對衛星測試。

如圖5所示，將接收機接入天饋伺系統，差信號經調制后進入和路器，與和信號合成，進入跟蹤接收單元，跟蹤接收單元通過CAN接口和上位機通信，同時通過OLED顯示屏可以觀察接收機上報狀態參數，同時可以通過機箱鍵盤對參數進行設置。

圖5　跟蹤接收機測試方框圖

聯試中，分別對E87.5°星的信標信號和E140°星的調制信號進行了對星測試，天線波束寬度約為6°，方位俯仰校相后，分別將天線方位軸、俯仰軸以0.5°為步進拉偏±3°，可以看到方位、俯仰誤差值線性變化，交叉耦合小于1/5，能夠滿足跟蹤要求。

5　結束語

本文設計的四相調制單通道單脈沖跟蹤接收機，除了能夠跟蹤單載波的信標信號，還能對BPSK、QPSK調制等恒定包絡信號進行跟蹤，利用FPGA完成基帶數字信號處理，大大提高了跟蹤接收機的性能，經實際驗證，能夠滿足工程要求。

參考文獻

[1]王秉均,王少勇,田寶玉等.現代衛星通信系統[M].北京:電子工業出版社,2004.

[2]汪曉燕.單通道單脈沖角跟蹤系統的研究[J].電訊技術,2005(3).

趙楠（1983—），女，中國電子科技集團公司第54研究所工程師，主要研究方向：數字信號處理。

作者簡介：